Физические механизмы воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на биологические объекты

Никулин, Роман Николаевич

Физические механизмы воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на биологические объекты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Никулин, Роман Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Волгоград МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Физические механизмы воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на биологические объекты»

Автореферат диссертации на тему "Физические механизмы воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на биологические объекты"

На правах рукописи

Никулин Роман Николаевич

Физические механизмы воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на биологические объекты

Специальности: 01.04.04 - Физическая электроника 03.00.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ВОЛГОГРАД-2004

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете на кафедре физики.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Шеин Александр Георгиевич.

Научный консультант: доктор биологических наук,

Лебедева Наталья Николаевна.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Бецкий Олег Владимирович.

доктор физико-математических наук, профессор Крючков Сергей Викторович.

Ведущая организация: Саратовское отделение Института Радиотехники и

Электроники РАН.

Защита диссертации состоится "9" декабря 2004 г. в 12 часов на заседа- ^ нии диссертационного совета К212.028.01 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28 в ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан "__" ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Евдокимов А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Современная наука находится на высоком уровне развития и отвечает на многие вопросы о строении и свойствах различных объектов Вселенной. Несмотря на это, существует большой класс явлений, точное объяснение которых в рамках современных представлений естествознания пока является затруднительным.

Быстрое развитие науки и техники в последнее столетие привело к резкому увеличению количества факторов, тем или иным образом влияющих на функционирование живых организмов, включая человека. Одним из интереснейших и в то же время наименее изученных вопросов современной науки является проблема воздействия неионизирукмцего электромагнитного излучения радиодиапазона низкой интенсивности на биологические системы.

За последние 50 - 60 лет возник и сформировался новый значимый фактор окружающей среды - электромагнитные поля (ЭМП) антропогенного происхождения, и, как отмечено в [Л1], мощность излучения техногенных источников превышает мощность естественных источников. Действительно, с каждым годом возрастают уровни мощности ЭМИ, создаваемые всевозможными искусственными источниками, такими, как теле- и радиопередающие центры, гражданские и военные радиолокационные установки, различные системы радиосвязи, в том числе системы сотовой и спутниковой связи, различные электробытовые приборы (телевизоры, компьютеры, холодильники, кондиционеры и т.д.), а также технологические установки в промышленности. В то время как живые организмы были окружены электромагнитными полями естественных источников миллионы лет и в процессе эволюции успели к ним адаптироваться, искусственно созданные электромагнитные поля являются новым фактором окружающей среды, и пока неизвестно, какое именно действие (положительное или отрицательное), он оказывает на процессы метаболизма, протекающие в биологических системах. Также наука не дает пока однозначного ответа на вопрос о механизме этого действия.

О важности данной физической проблемы говорит тот факт, что в Российской Академии наук на отделении "Физики и астрономии" в Научном совете РАН по проблеме "Физическая электроника" (научный руководитель - академик РАН Гуляев Ю.В.) создана секция "Биологические эффекты миллиметрового излучения» (научный руководитель - профессор Бецкий О.В.), цель работы которой заключается в изучении процессов, происходящих при воздействии электромагнитного излучения крайне высокочастотного (КВЧ) диапазона на биологические объекты, поскольку в последние годы основное внимание исследователей было уделено этому диапазону, как наиболее перспективному для терапевтических и диагностических целей [Л2].

Но и сантиметровый диапазон длин волн нельзя игнорировать. Главным образом это связано с тем, что подавляющее большинство современных радио-

электронных приемо-передающих устройств в офтрав ЦМРГОМЯЧЖМНавига-

БИММОТЕКА }

ции, связи, телевидения работают в этом диапазоне, в связи с чем, живые организмы постоянно находятся под воздействием электромагнитных полей сантиметрового диапазона.

Трудность решения вопроса воздействия СВЧ - излучения на биологические объекты заключается в том, что пока не найдено единого подхода к изучению данной проблемы.

Несмотря на это, в послевоенное время накоплен достаточно большой экспериментальный материал, позволивший разделить все эффекты воздействия электромагнитного излучения СВЧ на живые организмы на два большие класса: тепловые и нетепловые. Тепловой эффект в биологическом объекте наблюдается при облучении его полем с плотностью потока мощности более 10 мВт/см2, а нагрев тканей при этом превосходит величину 0.1 °С, в противном случае наблюдается нетепловой эффект. Если процессы, происходящие при I

воздействии мощных электромагнитных полей СВЧ на биологические объекты получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с экспериментальными данными, то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой интенсивности, теоретически слабо изучены. Отсутствуют даже гипотезы о физических механизмах воздействия электромагнитного изучения низкой интенсивности на биологические объекты разного уровня развития, начиная с одноклеточного организма и кончая человеком, хотя и рассматриваются отдельные подходы к решению данной проблемы.

Создание общей теории проблематично, прежде всего, потому, что ЭМП оказывает воздействие на всех уровнях организации живой материи, начиная с электронного и кончая биосферным, причем на каждом из уровней имеют место принципиально различные механизмы и явления.

В этой связи вопросы, связанные с исследованиями физических механизмов воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности на биологические объекты, и построение теории, позволяющей описать это! процесс хотя бы в рамках ограниченных представлений, являются ^

актуальной задачей.

Целью исследований является изучение физических механизмов взаимодействия электромагнитного поля высокой частоты с биологическими объектами и нахождение тех процессов жизнедеятельности, на которые влияет внешнее ЭМП, определение диапазона частот, в котором возможно это воздействие.

При реализации поставленной цели решены следующие основные задачи:

- показано, что термодинамический подход только качественно определяет закономерности воздействия СВЧ излучения на биологические объекты;

- рассмотрена модель клетки и получены выражения, позволяющие определить собственные частоты электромагнитных колебаний такой системы;

- проведены исследования по определению резонансных (собственных) частот клетки и ее структур (протоплазмы, мембраны);

-предложен физический механизм воздействия электромагнитного поля СВЧ низкой интенсивности на процессы транспорта ионов через мембраны

клеток и разработан метод расчета величины ионного тока при наличии внешнего высокочастотного поля;

- проведен цикл исследований по влиянию внешнего ЭМП с заданными параметрами на транспорт ионов СГ, К*,

Научная новизна работы заключается в следующем:

- показано, что скорость генерации энтропии может выступать как один из важных критериев качества воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты;

-определены собственные частоты колебаний мембраны, протоплазмы и клетки в целом;

- впервые установлены диапазоны частот ЭМ колебаний, в пределах которых имеет место резонансное взаимодействие внешнего поля и биологической системы и показаны особые роли СВЧ, КВЧ и терагерцового диапазонов в процессах взаимодействия ЭМП с живыми организмами;

-впервые предложен физический механизм воздействия внешнего СВЧ -поля на процесс транспорта ионов через мембраны клеток;

-впервые установлены параметры ЭМП, при которых наблюдается наиболее эффективное воздействие на процессы ионного транспорта, а также пороговые значения мощности, при которых начинает проявляться изменение силы ионного тока по сравнению с контролем;

- показано, что в сверхвысокочастотном диапазоне, как и для диапазона крайне высоких частот, существует порог значений потока мощности, ниже которого даже при длительном времени воздействия результатов воздействия не наблюдается.

Практическая ценность заключается в том, что

-разработанные численные модели клетки и ее составляющих позволяют определять их резонансные частоты и, следовательно, корректно выбирать диапазон частот, в рамках которого целесообразно проводить экспериментальные исследования;

- доказана роль сантиметрового диапазона длин волн в реализации биологических эффектов;

- предложенная модель позволяет оценить параметры излучения, влияющие на процессы ионного транспорта веществ заданного вида.

Внедрение результатов работы. Работа велась в рамках НИР «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней» (тема №54-53/281), выполняемая на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета в рамках плана перспективных и фундаментальных работ.

Достоверность результатов исследования обусловлена строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием

классических физических законов, достаточным количеством результатов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Модель биологической клетки, ее мембраны и протоплазмы, предназначенная для определения резонансных частот указанных систем.

2. Физический механизм воздействия внешнего СВЧ - поля на процессы ионного транспорта веществ, и модель, позволяющая определять параметры поля и вычислять значения сил ионных токов в зависимости от этих параметров.

3. Метод определения параметров внешнего СВЧ - излучения, способствующих максимальной воздействию ЭМП заданного диапазона.

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2001 - 2004 гг.), на научно-теоретических конференциях ВолгГТУ (2000 - 2004 гг.), на V, VI, VII и VIII Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2000 г., 2001 г., 2002 г., 2003 г.), на VI Традиционной научно-технической конференция стран СНГ: Процессы и оборудование экологических производств (Волгоград, 2002 г.); результаты исследования были представлены на «Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам» (Саратов, 2003 г.), на Десятой Всероссийской Научной Конференции Студентов-Физиков и молодых учёных (Москва, 2004 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них восемь - тезисы докладов на Всероссийских, Международной и региональных научно-технических конференциях, семь - статьи. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 130 наименований, включает 26 рисунков и 19 таблиц. Общий объем диссертации составляет 129 страниц.

Личный вклад автора. Диссертант полностью выполнил аналитическое и численное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным руководителем: провел анализ экспериментальных исследований, построил и исследовал эквивалентные схемы клеток и определил диапазоны частот, в пределах которых можно ожидать реакции клетки на внешнее воздействие, получил аналитический вид формул, описывающих изменение силы ионного тока от параметров внешнего СВЧ - поля, провел численные расчеты. Основные научные результаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в соавторстве с научным руководителем профессором Шейным А.Г

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цель, задачи и методы исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, а также формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава является обзором литературы по теме диссертации. В ней приведен анализ диапазонов электромагнитных волн с точки зрения их влияния на биологические системы. Перечислены основные физические особенности электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона, которые отличают их от колебаний остальных участков спектра. Приведены особенности и основные закономерности воздействия ЭМИ СВЧ на биологические объекты. Представлены электрические и магнитные свойства тканей биологических объектов. Систематизированы исследования, посвященные биологическому воздействию микроволн. Приведено детальное описание физического механизма, объясняющего резонансное запасание энергии при облучении электромагнитными волнами миллиметрового диапазона при высоких значениях добротности, принадлежащего Г. Фрёлиху. Сформулированы задачи, решению которых посвящена данная работа.

Вторая глава посвящена применению термодинамического подхода [ЛЗ] к описанию процесса воздействия ЭМИ СВЧ на биологические объекты. Этот подход рассматривает биологический объект как термодинамически открытую систему, которая обменивается с окружающей средой энергией и массой. Выражение для предельного электронного КПД процесса преобразования энергии ЭМВ имеет вид:

(1)

с2С

где ^А^/гяйе3, П ~ предельный электронный КПД, к - постоянная Больц-

мана, Т-температура по шкале Кельвина, V- частота электромагнитного поля, с - скорость света в вакууме, И - постоянная Планка, - спектральная плотность излучения.

График зависимости предельного электронного КПД от спектральной плотности поглощенного излучения имеет вид, изображенный на рис. 1. Лучше привести на одном графике и данные эксперимента.

Показано, что если правильно определить понятие предельного коэффициента полезного действия по результатам эксперимента, можно произвести сопоставление теоретических данных и экспериментальных результатов. Для этого необходимо найти некоторую численно фиксируемую величину, характеризующую ответную реакцию биологического объекта на воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты.

При определении зависимости ответной реакции семян злаковых культур от энергетической характеристики воздействующего электромагнитного излучения сантиметрового диапазона в качестве численно фиксируемой величины

выбрано число взошедших семян. Величиной, для которой приводятся все функциональные зависимости, является отношение ШЫ0, где Ып - число посаженых семян, Ы- число взошедших семян.

Рис I. Зависимость предельного электронного КГЩ от спе1ггральной плотности поглощенного излучения (слева - теоретическая кривая, справа - экспериментальная)

Сопоставление усредненных результатов исследований всхожести семян яровой пшеницы при различных параметрах облучения с теоретическими, полученными в рамках описанного подхода позволяют сделать вывод, заключающийся в том, что в сверхвысокочастотном диапазоне, как и для диапазона крайне высоких частот, существует порог значений потока мощности, ниже которого даже при длительном времени воздействия, количество проросших семян находится в пределах данных контроля. Следует отметить, что при этом существует и порог по величине потока энергии, меньше которого даже при достаточно больших значениях потока мощности эффект повышения всхожести семян не наблюдается.

В третьей главе приводится методика вычисления собственных частот электромагнитных колебаний клетки. Для решения поставленной задачи биологическая клетка рассматривается в виде сферического резонатора с идеально проводящими стенками и заполненного изотропным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью 1 5 б < 81. Далее обосновывается допустимость рассмотрения стенок (границ) биологической клетки в качестве проводящих поверхностей.

На основании однородных уравнений Гельмгольца

У2Нт +к7Нт= О, + к% = 0, (2)

где к = — ^е/1 = т^е^ец с учетом граничных условий получены выражения в с

сферических координатах, позволяющие определить собственные частоты колебаний рассматриваемой системы. Эти выражения для радиальных компонент векторов НтлЕ имеют одинаковый вид

Я,(гДф);£;,(гДф) = —¡Цг-У , (к ■ г)Р'т)(со&в) ■ соз(т • ф + а), (3)

(к-гу*

= О - для Е-волн.

Собственные частоты колебаний могут быть определены, если известно волновое число к, которое, в свою очередь, определяется из уравнения ./„^ (кг) = 0 -

дляЯ-волн или — \-\tJ , (х)

Численный анализ показывает, что резонансные длины волн лежат в интервале от сотых до десятых долей миллиметра. Резонансные длины волн для Е-колебаний и для //-колебаний имеют одинаковый порядок. В некоторых работах [например, Л2] отмечается, что критические длины волн биоклетки предположительно лежат в основном в миллиметровом, а также в субмиллиметровом диапазоне. Таким образом, теоретически полученные значения достаточно близко лежат к описываемым в литературе экспериментальным данным. Различие значений на порядок имеет место, по-видимому, в связи с тем, что данная модель биоклетки сильно идеализирована: не учитывались потери на проводниках и диэлектрике, а также не учитывались анизотропные свойства протоплазмы.

В четвертой главе построена модель мембраны, протоплазмы и клетки в целом, позволяющая при заданных параметрах вычислить резонансные частоты этих систем. Поставленная в данной главе задача решалась посредством представления мембраны и протоплазмы в качестве схем замещения, а клетка представлялась как последовательное соединение схем для мембраны и протоплазмы. Электрические параметры клетки и ее составляющих были или взяты из литературных источников, или вычислены на основании известных параметров. Для мембраны и протоплазмы были предложены схемы замещения, изображенные на рис. 2.

—■—«В-

•) *) »>

Рис. 2. Эквивалентные схемы клеючной мембраны (или протоплазмы), соответствующие резонансу токов и напряжений

Для каждой из схем были получены выражения, позволяющие определить сс резонансные частоты электромагнитных колебаний. Максимально допустимые значения параметров клетки и ее составляющих: диаметр клетки ^ = 2-10"' м, электрическая емкость мембраны С„=2-10'13 Ф, сопротивление мембраны Ят =1018 Ом, сопротивление протоплазмы Яр = Ю5Ом, относительные диэлектрические проницаемости мембраны £„, = 9 и протоплазмы ер = 80. Результаты численного моделирования приведены в табл. 1.

Исходя из приведенных в табл. 1 данных, следует, что диапазон частот колебаний клеточной мембраны и протоплазмы занимает субмиллиметровый, миллиметровый и сантиметровый диапазоны длин волн. Из табл. 1 видно, что частоты колебаний мембраны (и протоплазмы), представленной с помощью двух различных схем (рис. 2) совпадают с большой точностью (по крайней мере, до трех знаков после запятой), т.к. слагаемое (ДС)2 в выражении для часто-

ты схемы «1а» оказывается мало по сравнению с (¿С)"', которое входит в выражение для частоты схемы «16», т.е. (¿С)'' »(ЛС)'2.

Таблица 1

Результаты расчета резонансных частот мембраны и протоплазмы клетки, представ-

Параметре минимальным значением Резонансная частота V, ГГц

Мембрана Протоплазма

Схема 1а Схема 16 Схема 1а Схема 16

Индуктивность протоплазмы: £

- 6.335 42.46

Ом 6.335 42.46

Я^Ю'Ом 6.335 42.46 | 42.42

СЯ=1(Г'4Ф 126.7 42.46

- Ш" м 6.335 424.6

Г 2.987 42.46

6.335 60.05

Индуктивность протоплазмы: Ьр = 1 г^г^о

- 6.335 1111

«„-/0е Ом 6.335 1111

Яр-1&Ом 6.335 1111

Ст~1(Г"Ф 126.7 1111

Ос = 10* м 6.335 11109

2.987 1111

ер = 40 6.335 1571

Как отмечалось выше, эквивалентную схему замещения клетки можно получить путем последовательного соединения схем для мембраны и протоплазмы. Таким образом, возможны четыре случая (рис. 3).

мембрана лретвюиаяа ЧЗ^чЗ^1* Н И меибрака нротопясима

мембрана тотопзалыа г) —А ^чь-ед» Щ с гддчЬ, мембряла протопки.«а

Рис. 3. Эквивалентные схемы клетки

Аналогично тому, как это было сделано для схем замещения мембраны и протоплазмы, для каждой из схем замещения клетки, изображенных на рис. 3, получены выражения, позволяющие определить резонансные частоты электромагнитных колебаний. Результаты численного моделирования приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета резонансных частот клетки, представленной в виде схем замещения, изображенных на рис. 3

Параметр с минимальным значением Резонансная частота V, ГГц

Схема «а» Схема «б» Схема «в» Схема «г»

VI У2 V VI VI V

Индуктивность протоплазмы: £ ^-^-С'

- 6.346 19.22 11 14 9.065 51.15 11.14

Я„=1</' Ом 6.346 19.22 11.14 9.065 51.15 11.14

{(„-Щ'Ом 6.346 19.22 11.04 9.041 51.13 11.14

Ст-Ш"Ф 17.17* 20.6? 94.48 140.6 175.9 94.48

д = ю* м 6.335 84.42 30.62 9.739 434.0 30.62

£т= 2 2.987 19.18 5.353 4.261 51.07 5.353

е„ = 40 6.340 22.54 14.49 9.403 66.44 14.49

„ , (А У С с/4 Я Индуктивность протоплазмы: Ьр = J ^ \—

- 6.335 501.4 11.42 9.033 1335 11.42

Ом 6.335 501.4 11.42 9.033 1335 11.42

и ? 6.335 501.4 11.32 9.009 1335 11.42

С„=/<7"ф 126.7 692.6 133.5 138.0 3497 133.5

Д - 10* м 6.335 2204 30.70 9.738 11350 30.70

2.987 501.4 5.382 4.258 1335 5.382

Ер~ 40 6.335 583.3 14.85 9.379 1737 14.85

* - Ст=81(Т14 Ф. Резонанс наблюдается только при емкости, большей указанной.

Эти данные показывают, что частоты колебаний клетки занимают полностью сантиметровый и миллиметровый диапазоны волн, а также часть субмил-4. лиметрового диапазона. Очевидно, что именно воздействие на биологические

' системы электромагнитными излучениями в указанных диапазонах длин волн,

^ окажется наиболее эффективным и приведет к максимальному биологическому

* отклику (эффекту).

Основной вывод этой главы, заключается в том, что не следует игнорировать сантиметровый диапазон длин волн (СВЧ - волны) при экспериментальном исследовании влияния внешних ЭМП на живые организмы ввиду того, что как показывают приведенные расчеты, СВЧ - диапазон также играет биологическую роль. Так, согласно приведенным выше данным, частоты колебаний мембран клеток и самих клеток кроме миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов лежат в сантиметровом диапазоне длин волн, и только частоты колебаний протоплазмы клетки занимают лишь миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны.

Пятая глава посвящена построению модели воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты низкой интенсивности на процессы пассивного транспорта ионов через мембраны клеток. Основным методом решения

поставленной в этой главе задачи является учет составляющей силы ионного тока, обусловленного ЭМП СВЧ в соответствующем уравнении, описывающем пассивный транспорт ионов. В биофизике существуют два основных метода описания пассивного транспорта ионов через мембраны: электродиффузионная теория и теория абсолютных скоростей реакций [Л4].

Уравнение Нернста - Планка для силы тока имеет вид

Ij - -\ж R^u -^цТ

dri;

z(e dtp dx ' "'Tfllk

- + n,

(4)

где и, - подвижность иона, кв - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; п, - концентрация; 2 - валентность иона; е - заряд электрона; <р - электрический потенциал, называется уравнением электродиффузии (или уравнением Нернста—Планка) и описывает диффузию ионов в растворе или в гомогенной незаряженной мембране. /?„ - радиус мембраны.

Предположив, что электромагнитное поле оказывает влияние на движение заряженных частиц, то при рассмотрении прохождения ионов из межклеточной среды через мембрану внутрь клетки необходимо учесть токи, создаваемые этим полем, и в уравнении Нернста—Планка добавить член, характеризующий поток ионов разных сортов, возникший вследствие действия СВЧ - излучения.

Рассматривая элемент мембраны в качестве диодного промежутка, на электроды которого подано электромагнитное поле с частотой си, находим, что составляющая силы ионного тока, обусловленная наличием внешнего СВЧ -поля имеет вид

Ie4=4xRm

дЕ

-cxE-esn— dt

(5)

где Лт - радиус мембраны, а - удельная проводимость среды, Е - напряженность электрической составляющей электромагнитного поля. Данное выражение должно быть добавлено к уравнению Нернста-Планка.

Зависимость концентрации ионов от пространственной координаты п,(х) определяется законом

External "i

И,

,Internal

„External

-1

(6)

Если предположить, что в пределах мембраны статический потенциал ср линейно зависит от координаты х, то зависимость потенциала от пространственной координаты будет иметь вид <р(х) = 107х, где х меняется в пределах от 0 до ^ (с1~10нм= КГ8 м - толщина мембраны).

Таким образом, полная сила ионного тока через мембрану при наличии внешнего СВЧ - излучения определяется согласно выражению

кЕТ 1 (drtj(x) е dx

+ z,

d<p{x) dx

оЕ + еео

дЕ dt

(7)

первое слагаемое, которого описывает силу ионного тока, обусловленную градиентами концентрации и статического потенциала, а второе - наличием внешнего СВЧ - поля.

Анализ результатов численного моделирования, проведенного в рамках предложенной модели, приводит к выводу, что существует пороговое значение плотности потока мощности СВЧ поля, при котором величина ионного тока при отсутствии этого поля и при его наличии остается практически неизменной, что подтверждает ранее экспериментально установленный [Л5] пороговый характер процесса влияния ЭМИ на биологические системы.

Для более точного определения значений удельной проводимости ионного канала получено выражение, отражающее зависимость удельной проводимости от разности потенциалов на мембране и разности концентраций ионов по обе ее стороны:

2 zF^p гРср ЯТ

п[п,е "т

+ е

+ п,

ЕЯ

ЯТ

ЯГ _1

(8)

ч /

Использование формулы (8) показало, что имеет место плавное нарастание величины ионного тока вблизи значения пространственной координаты Х=0, что соответствует физической сущности явления. Следует отметить, что без использования указанного выражения для расчета тока, обусловленного наличием СВЧ - поля, наблюдается скачкообразное изменение силы тока ионов вблизи Х=0, что не вполне соответствует физическому смыслу явления.

Однако существуют явления, которые нельзя объяснить в рамках представлений о свободной диффузии. Например, взаимодействие и насыщение ионных потоков, а также блокировка канала при высоких концентрациях электролита. С целью преодоления указанных трудностей в последнее время сформировалась новая теория, в основе которой лежат общие физические принципы [Л4]. В этой теории транспорт ионов рассматривается как серия последовательных перескоков через энергетические барьеры в канале и уравнение для потока ионов выводится на основе теории абсолютных скоростей реакций Эйринга. Выражение для силы ионного тока в рамках данной модели имеет вид

ще

2 кБт _

пЛе

2 квТ

(9)

где Ят - радиус мембраны, г, - зарядовое число иона, к„ - значение константы скорости, F - число Фарадея, / - длина канала по которому движется ион, и, и п,0 - концентрации ионов по одну и другую стороны мембраны, е - заряд электрона, (р - потенциал на мембране, кЕ- постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура.

Таким образом, если ток через канал определяется скоростью переноса ионов через основной энергетический барьер, расположенный в центре мембраны, то вольт - амперная характеристика имеет форму гиперболического синуса: с ростом напряжения на мембране проводимость возрастает.

Очевидно, что наличие внешнего СВЧ - поля будет изменять потенциальный барьер для иона, поэтому следует учесть этот факт в дальнейших рассуждениях. Напряженность электрической составляющей СВЧ - поля Ееч(х,1) представим в виде

(10)

где £0 =

Р - амплитудное значение высокочастотной составляющей

напряженности электрического поля, Р - поток мощности действующего поля. Во время положительного полупериода поля потенциальный барьер уменьшается на величину

= -0.44^=^7

г2

а во время отрицательного - увеличивается на величину

^ к,Т ■

Кроме того, в выражение (9) необходимо добавить слагаемое, определяемое выражением (5), которое представляет собой силу тока ионов, наведенного внешним СВЧ - полем. Таким образом, окончательно имеем

(11а)

(116)

/г=4 л^Лг^Ш

)

ех ' - п10е * '

во время положительного полупериода поля и

// = 4 яЯЫг^Ш

(тС-^г) -(^Г+Уг)

^ дЕ

ОТ

¡г^ дЕ <ТЕ + ££()-

(12а)

4126)

- во время отрицательного. Особенностью влияния СВЧ поля является периодическое изменение высоты потенциального барьера, т.е. высота потенциального барьера становится функцией времени.

Анализ численных результатов показывает, что силы ионных токов, вычисленные с учетом внешнего воздействия не более, чем на несколько процентов превышают значения сил ионных токов, вычисленных без учета СВЧ - излучения (рис. 4). Эют факт приводит к мысли о том, что низкоинтенсивное электромагнитное излучение сверхвысокой частоты способствует возникновению в биологическом организме ионных токов, величины которых лежат в пределах значений ионных токов, присущих здоровому орг анизму. Например, если концентрация некоторого иона в организме понижается, то, следовательно, по-

нижается и величина соответствующего ионного тока. Подействовав при этом внешним СВЧ - полем, станет возможным увеличить силу ионного тока, доведя ее до нормы, присущей здоровому организму. При этом нельзя не отметить, что, если в организме наблюдаются «нормальные» концентрации того или иного иона, то посредством нетеплового СВЧ воздействия не удастся достигнуть многократного превышения значения ионного тока над нормальным значением.

Другими словами можно сказать, что при пониженной концентрации ионов внешнее СВЧ - излучение способствует усилению транспорта этих ионов и, следовательно, увеличению силы ионного тока, которая в этом случае достигает нормального значения, несмотря на низкую концентрацию ионов.

Гфостронсгмгмм коомитта, ни

Рис. 4. Зависимости сил токов ионов С/, КиШ, вычисленных на основе теории абсолютных скоростей реакций Эйринга без учета воздействия внешнего СВЧ - излучения (кривые 1,2, 3) и с учетом этого воздействия (кривые 2,4, 6) от пространственной координаты

Модель воздействия низкоинтенсивного СВЧ -излучения на процессы пассивного ионного транспорта веществ через мембраны позволяет вычислить величины ионных токов, которые не противоречат физическому смыслу, а также дать объяснение наблюдаемой ранее и описанной в литературе особенности воздействия ЭМИ на биологические объекты.

В заключении диссертации подведены итоги исследования, перечислены полученные результаты и выводы.

В результате исследований получены следующие основные научные результаты.

1. Скорость генерации энтропии может выступать как один из важных критериев качества воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты. По сдвигу между значениями теоретической и экспериментальной величинами спектральной плотности О^ и (7И можно оценить величину, характеризующую скорость генерации энтропии вследствие необратимости процесса взаимодействия СВЧ - излучения с биологическим объектом (в данном эксперименте - зерном), которая определяет степень отличия КПД реального преобразования энергии в исследуемом процессе от КПД идеаль-

ного преобразователя, иначе говоря, характеризует потери энергии. В частности, из теоретического расчета следует, что на частоте 15,7 ГГц с„ = '/д1/ С™"*'« 6.40 10~'2 Вт/Гц, в то время как экспериментальные данные дают результат * 1.63-10"" Вт/Гц .

2. Экспериментально определены значения мощности внешнего СВЧ - излучения, ниже которого не наблюдается воздействия электромагнитного поля в заданном диапазоне частот даже при длительном времени облучения.

3. Существует и порог по величине потока энергии, меньше которого даже при достаточно больших значениях потока мощности, эффекта воздействия электромагнитного поля также не наблюдается.

4. Определены частоты собственных электромагнитных колебаний протоплазмы, которые лежат в терагерцовом диапазоне длин волн.

5. Электромагнитные волны сантиметрового диапазона должны рассматриваться как влияющие на процессы в биологических объектах, поскольку частоты колебаний клетки, представленной в виде комбинации колебательных кончуров (схемы замещения), определяющиеся совокупностью величин эквивалентных емкостей, индуктивностей и сопротивлений протоплазмы и мембраны, лежат в широком диапазоне частот - от сверхвысокочастотных до терагерцовых.

6. Предложен физический механизм воздействия внешнего СВЧ - поля на процесс транспорта ионов через мембраны клеток.

7. Доказано, что наличие внешнего электромагнитного излучения изменяет величину тока ионов через мембрану.

8. Существует пороговое значение плотности потока мощности СВЧ поля, при котором величина ионного тока при отсутствии этого поля и при его наличии остается практически неизменной. Это пороговое значение величины плотности потока мощности СВЧ поля составляет порядка 10"4Вт/м2.

9. На основе теории абсолютных скоростей реакций Эйринга доказано, что при пониженной концентрации ионов внешнее СВЧ - излучение способствует усилению транспорта этих ионов и, следовательно, увеличению силы ионного тока, которая в этом случае достигает нормального значения, несмотря на низкую концентрацию ионов.

Ю.Если в биологическом объекте имеются «нормальные» концентрации того или иного иона, то посредством нетеплового СВЧ воздействия не удается достигнуть значительного превышения значения ионного тока над нормальным его значением.

Представленные в работе результаты показывают, что изучение физических механизмов воздействия высокочастотного электромагнитного излучения на биологические объекты и создание соответствующих математических моделей, учитывающих сложный характер взаимосвязи в живом организме, представляет не только чисто научный, но и практический интерес.

Более того, понимание, например, характера регуляции тока ионов в мембране может явиться предпосылкой создания управляемых внешними полями приборов на основе наноструктур.

Проведенные в данной работе исследования можно рассматривать как один из шагов по дальнейшему пониманию представлений о физических механизмах воздействия сверхвысокочастотного и крайне высокочастотного излучений на биологические системы.

Цитируемая литература:

Л1. Павлов А.Н. Воздействие электромагнитных излучений на жизнедеятельность-Учебное пособие. М., Гелиос АРВ, 2002. - 224 с

Л2 Бецкий О В., Лебедева Н.Н. Современные представления о механизмах воздействия низкоинтенсивных миллиметровых волн на биологические объекты // Миллиметровые волны в биоло! ии и медицине. - 2001. - №3. - С. 5 - 19.

ЛЗ. Чукова Ю.П Эффекты слабых воздействий. Термодинамический, экспериментальный (биоло! ический и медицинский), социальный, законодательный, межд>народный и философский аспекты проблемы. - М.: Компания «Алее», 2002. - 426 с.

Л4. Рубин А.Б.. Биофизика: В 2-х кн.: Учеб. для биолог, спец. вузов. Кн. 2 М. Высш шк. 1987. - 303 с

Л5. Девятков Н.Д., Голант МБ, Тагер А С Роль синхронизации в воздействии слабых сигналов миллиметрового диапазона волн на живые организмы // Эффекты нетеплового воздействия миллиметровою излучения на биологические объекты / Под. ред. академика Девят-кова Н.Д. - М„ ИРЭ АН СССР, 1983. - С. 7 - 17.

Основные результаты исследования отражены в публикациях:

1 Никулин Р.Н. Исследование влияния нетеплового воздействия СВЧ - излучения сантиметрового диапазона на биологические объекты // V Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб. докладов. - Волгоград: РПК «Политехник», 2001.-с. 219-221.

2. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Выбор критериев по степени воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2001. -№4.-С 19-23.

3. Никулин Р Н Модель взаимодействия СВЧ - излучения нетепловой интенсивности сантиметрового диапазона с биологическими объектами // VI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб. докладов. - Волгоград: РПК «Политехник», 2002. - с. 196 - 198.

4. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Возможности создания модели воздействия СВЧ - излучения на биологические объекты // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2002 -№4.-С. 9 15.

5 Шеин А.Г., Кривонос Н.В., Никулин Р.Н. Воздействие низкоинтенсивного СВЧ - излучения на зерновые как переключение биологического триггера // Физическая метрология. Вестник Поволжск. Отдел. Метролох. Акад. России. 2002. Вып. 4. - С. 81 - 86.

6 Шеин А.Г, Никулин Р.Н Электромагнитные поля СВЧ низкой интенсивности ангропо-генного происхождения как один из важнейших экологических факторов современного мира // VI Традиционная научно-техническая конференция стран СНГ: Процессы и оборудование экологических производств: Тезисы докладов - Волгоград: РПК «Политехник». - 2002. - с. 145-149.

7. Никулин Р.Н. Мембрана живой клетки как один из основных детекторов сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности в биологическом объекте // VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Тезисы докладов. - Волгоград: РПК «Политехник», 2003. - с. 229 - 230.

8. Шеин А.Г, Никулин Р Н Подходы к моделированию воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на ионный транспорт веществ через

биологические мембраны // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2003. -№4. - с. 4 - 11.

9. Харламов А. В., Грецова Н. В., Никулин Р. Н. Взаимодействие электромагнитных волн с пассивными и активными (в том числе биологическими) средами // Федеральная итоговая научно-техническая конференция творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам Материалы конференции - М - 2003. - с. 66 - 67

10. Харланов А В , Грецова Н В., Никулин Р. Н. Взаимодействие электромагнитных волн с пассивными и активными (в том числе биологическими) средами // Всероссийский конкурс на лучшие научно-технические и инновационные работы творческой молодежи России по естественным наукам. Каталог представленных на конкурс проектов и работ. -Сарагов. - 2003. с. 170-172.

11 Никулин Р.Н Моделирование воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на пассивную составляющую ионного транспорта веществ через биологические мембраны // VIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Тезисы докладов. - Волгоград- РГ1К «Политехник», 2004. - с. 239-241.

12 Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Моделирование воздействия низкоэнергстического электромагнитного излучения сверхвысокой частоты на пассивную составляющую ионного транспорта веществ через биологические мембраны // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2004. - №4. - с. 4 - 11.

13 Шеин А.Г., Никулин Р Н. Подходы к решению вопроса о воздействии электромагнитного излучения нетепловой интенсивности сантиметрового диапазона длин волн на биологические объекты // Физическая метрология. Вестник Поволжск. Отдел. Метролог. Акад. России. 2003. Выи. 5. С. 66 - 74.

14 Никулин РН Расчёт резонансных частот электромагнитных колебаний клетки, представленной в виде исктричсской схемы замещения // Физическая метрология. Вестник Поволжск. Отдел. Метролог Акад России. 2003. Вып. 5. - С. 75 - 81.

15 Никулин Р.Н Модели воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты низкой интенсивности на биологические объекты // Сборник тезисов Десятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых: Тезисы докладов: В 2 т. Т.2 - Екатеринбург Красноярск, издательство АСФ России, 2004. - С. 848 - 850.

Подписано в печать27.10.2004. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №792

Типография РПК "Политехник" Волгоградского государственного технического университета 400131, Волгоград, ул. Советская, 35

>203 22

РНБ Русский фонд

2005-4 22517

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Никулин, Роман Николаевич

Введение.

1. Проблема воздействия ЭМИ СВЧ низкой интенсивности на биологические организмы.

1.1. Характеристика диапазонов электромагнитных волн.

1.2. Особенности и основные закономерности воздействия ЭМИ СВЧ на биологические объекты.

1.3. Электрические и магнитные свойства тканей биологических объектов.

1.4. Подходы к построению модели воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на биологические объекты.

2. Термодинамический подход к описанию процесса воздействия ЭМИ СВЧ на биологические объекты.

3. Резонансные частоты электромагнитных колебаний клетки (электродинамический расчет).

3.1. Н - колебания сферического резонатора.

3.1.1. Нахождение Нг -й компоненты.

3.1.2. Определение составляющей Ев.

3.1.3. Нахождение Ев—й компоненты разложением в ряд.

3.2. Е - колебания в сферическом резонаторе.

3.2.1 .Определение Ег—ой составляющей поля.

3.2.2. Составляющая Е0.

3.3. Анализ полученных результатов.

3.4. Резонансные частоты мембраны.

4. Моделирование электрических процессов, происходящих в живой клетке, представленной в виде схемы замещения.

4.1. Эквивалентные схемы замещения клетки.

4.2. Определение области резонансных частот клетки.

5. Воздействия электромагнитного излучения на мембранный транспорт веществ.

5.1. Изменение транспорта ионов через мембрану (электродиффузионная теория).

5.2. Дискретный способ описания пассивного транспорта веществ через мембраны.

Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Физические механизмы воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на биологические объекты"

Актуальность исследования. Современная наука находится на высоком уровне развития и отвечает на многие вопросы о строении и свойствах различных объектов Вселенной. Несмотря на это, существует большой класс явлений, точное объяснение которых в рамках современных представлений естествознания пока является затруднительным.

За последние 50-60 лет возник и сформировался новый значимый фактор окружающей среды - электромагнитные поля (ЭМП) антропогенного происхождения [1, 2]. Мощность излучения техногенных источников превышает мощность естественных источников. Действительно, с каждым годом возрастают уровни мощности электромагнитного излучения (ЭМИ), создаваемые всевозможными искусственными источниками, такими, как теле- и радиопередающие центры, гражданские и военные радиолокационные установки, различные системы радиосвязи, в том числе системы сотовой и спутниковой связи, различные электробытовые приборы (телевизоры, компьютеры, холодильники, кондиционеры и т.д.), технологические установки в промышленности. В то время как живые организмы были окружены электромагнитными полями естественных источников миллионы лет и в процессе эволюции успели к ним адаптироваться, искусственно созданные ЭМП являются новым фактором окружающей среды и пока не известно, какое именно действие (положительное или отрицательное), они оказывают на процессы метаболизма, протекающие в биологических системах. Одним из интереснейших и в то же время наименее изученных вопросов современной науки является проблема воздействия неио-низирующего ЭМИ радиодиапазона низкой интенсивности на биологические системы. Наука не дает пока однозначного ответа на вопрос о физических механизмах этого явления [4].

Но и сантиметровый диапазон длин волн нельзя игнорировать. Главным образом это связано с тем, что подавляющее большинство современных радиоэлектронных приемо-передающих устройств в области радиолокации, навигации, связи, телевидения работают в этом диапазоне, в связи с чем, живые организмы постоянно находятся под воздействием электромагнитных полей [8].

Несмотря на это, в послевоенное время накоплен достаточно большой экспериментальный материал [9 - 25], позволивший разделить все эффекты воздействия электромагнитного излучения СВЧ на живые организмы на два большие класса: тепловые и нетепловые. Тепловой эффект в биологическом объекте наблюдается при облучении его полем с плотностью потока мощности

2 Q более 10 мВт/см , а нагрев тканей при этом превосходит величину 0.1 С, в противном случае наблюдается нетепловой эффект. Если процессы, происходящие при воздействии мощных электромагнитных полей СВЧ, получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с экспериментальными данными [26], то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой интенсивности, теоретически слабо изучены. Отсутствуют даже гипотезы о физических механизмах воздействия электромагнитного изучения низкой интенсивности на биологические объекты разного уровня развития, начиная с одноклеточного организма и кончая человеком, хотя и рассматриваются отдельные подходы к решению данной проблемы [24, 28-38].

В этой связи вопросы, связанные с исследованиями физических механизмов воздействия сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности на биологические объекты, и построение теории, позволяющей описать этот процесс хотя бы в рамках ограниченных представлений, являются актуальной задачей.

Целью исследований является изучение физических механизмов взаимодействия электромагнитного поля высокой частоты с биологическими объектами и определение тех процессов жизнедеятельности, на которые влияет внешнее ЭМП, определение диапазона частот, в котором возможно это воздействие.

При реализации поставленной цели решены следующие задачи:

- рассмотрена модель клетки и получены характеристики, позволяющие определить собственные частоты электромагнитных колебаний такой системы;

- предложен физический механизм воздействия электромагнитного поля СВЧ низкой интенсивности на процессы транспорта ионов через мембраны клеток и разработан метод расчета величины ионного тока при наличии внешнего высокочастотного поля;

- проведен цикл исследований по влиянию внешнего ЭМП с заданными параметрами на транспорт ионов СГ, К \ Na+.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- показано, что скорость генерации энтропии может выступать как один из важных критериев характера воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты;

- определены собственные частоты колебаний мембраны, протоплазмы и клетки в целом;

- впервые предложен физический механизм воздействия внешнего СВЧ -поля на процесс транспорта ионов через мембраны клеток;

- впервые установлены параметры ЭМП, при которых наблюдается наиболее эффективное воздействие на процессы ионного транспорта, а также пороговые значения мощности, при которых начинает проявляться изменение силы ионного тока по сравнению с контролем;

Практическая ценность заключается в том, что

- разработанные численные модели клетки и ее составляющих позволяют определять их резонансные частоты и, следовательно, корректно выбирать диапазон частот, в рамках которого целесообразно проводить экспериментальные исследования; доказана роль сантиметрового диапазона длин волн в реализации биологических эффектов;

Достоверность результатов исследования обусловлена строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений с использованием классических физических законов, достаточным количеством результатов, коррелирующих с экспериментальными и литературными данными.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2000 г., 2001 г., 2002 г., 2003 г.), на VI Традиционной научно-технической конференция стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств» (Волгоград, 2002 г.); результаты исследования были представлены на «Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам» (Саратов, 2003 г.), на X - ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (Москва, 2004 г.).

Публикации (в хронологическом порядке):

1. Никулин Р.Н. Исследование влияния нетеплового воздействия СВЧ - излучения сантиметрового диапазона на биологические объекты // V Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб. докл. - Волгоград: РПК «Политехник». 2001. - С. 219 - 221.

2. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Выбор критериев по степени воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты // Биомедицинская радиоэлектроника. 2001. - №4. - С.19 - 23.

3. Никулин Р.Н. Модель взаимодействия СВЧ - излучения нетепловой интенсивности сантиметрового диапазона с биологическими объектами. // VI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Сб. докл. - Волгоград: РПК «Политехник», 2002. - С. 196 - 198.

4. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Возможности создания модели воздействия СВЧ - излучения на биологические объекты // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2002. №4. - С. 9 - 15.

5. Шеин А.Г., Кривонос Н.В., Никулин Р.Н. Воздействие низкоинтенсивного СВЧ - излучения на зерновые как переключение биологического триггера // Физическая метрология. Вестник Поволжск. отдел. Метролог. Акад. России. 2002. Вып. 4. - С. 81 - 86.

6. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Электромагнитные поля СВЧ низкой интенсивности антропогенного происхождения как один из важнейших экологических факторов современного мира // VI Традиционная научно-техн. конфер. стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств». Тез. докл. - Волгоград: РПК «Политехник». 2002. - С. 145 - 149.

7. Никулин Р.Н. Мембрана живой клетки как один из основных детекторов сверхвысокочастотного электромагнитного излучения низкой интенсивности в биологическом объекте // VII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: Тез. докл. - Волгоград: РПК «Политехник», 2003. - с. 229 - 230.

8. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Подходы к моделированию воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на ионный транспорт веществ через биологические мембраны // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2003. №4. - С. 4 - 11.

9. Харланов А. В., Грецова Н. В., Никулин Р. Н. Взаимодействие электромагнитных волн с пассивными и активными (в том числе биологическими) средами // Федеральная итоговая научно-техн. конфер. творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам. Матер, конфер. - М. 2003. - С. 66 - 67.

10. Харланов А. В., Грецова Н. В., Никулин Р. Н. Взаимодействие электромагнитных волн с пассивными и активными (в том числе биологическими) средами // Всероссийский конкурс на лучшие научно-технические и инновационные работы творческой молодежи России по естественным наукам. Каталог представленных на конкурс проектов и работ. — Саратов. -2003.-с. 170-172.

11. Никулин Р.Н. Моделирование воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты низкой интенсивности на пассивную составляющую ионного транспорта веществ через биологические мембраны // VIII и

Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области. Тез. докл. - Волгоград: РПК «Политехник», 2004. - с. 239 - 241.

12. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Моделирование воздействия низкоэнергетического электромагнитного излучения сверхвысокой частоты на пассивную составляющую ионного транспорта веществ через биологические мембраны // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2004. №4. -С. 4- 11.

13. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Подходы к решению вопроса о воздействии электромагнитного излучения нетепловой интенсивности сантиметрового диапазона длин волн на биологические объекты // Физическая метрология. Вестник Поволжск. отдел. Метролог. Акад. России. 2003. Вып. 5. -С. 66 - 74.

14. Никулин Р.Н. Расчёт резонансных частот электромагнитных колебаний клетки, представленной в виде электрической схемы замещения // Физическая метрология. Вестник Поволжск. отдел. Метролог. Акад. России. 2003. Вып. 5. -С. 75-81.

15. Никулин Р.Н. Модели воздействия электромагнитного излучения сверхвысокой частоты низкой интенсивности на биологические объекты // Сборник тезисов Десятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых: Тез.докл. В 2 т. Т.2 - Екатеринбург -Красноярск: Изд. АСФ России. 2004.- С. 848 - 850.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии, включает 129 страниц, 26 рисунков и 19 таблиц.

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

выводы

В результате исследований получены следующие основные научные результаты.

1. Скорость генерации энтропии может выступать как один из важных критериев качества воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты. По сдвигу между значениями теоретической и экспериментальной величинами спектральной плотности GJeop и Gv можно оценить величину, характеризующую скорость генерации энтропии вследствие необратимости процесса взаимодействия СВЧ - излучения с биологическим объектом (в данном эксперименте - зерном), которая определяет степень отличия КПД реального преобразования энергии в исследуемом процессе от КПД идеального преобразователя, иначе говоря, характеризует потери энергии. В частности, из теоретического расчета следует, что на частоте 15,7 ГГц Gv = w/^v

G™op «6.40-10"12 Вт/Гц, в то время как экспериментальные данные дают результат Gv -1.63-10"'3 Вт/Гц .

5. Электромагнитные волны сантиметрового диапазона должны рассматриваться как влияющие на процессы в биологических объектах, поскольку частоты колебаний клетки, представленной в виде комбинации колебательных контуров (схемы замещения), определяющиеся совокупностью величин эквивалентных емкостей, индуктивностей и сопротивлений протоплазмы и мембраны, лежат в широком диапазоне частот - от сверхвысокочастотных до терагерцовых.

7. Доказано, что наличие внешнего электромагнитного излучения изменяет величину тока ионов через мембрану.

10. Если в биологическом объекте имеются «нормальные» концентрации того или иного иона, то посредством нетеплового СВЧ воздействия не удается достигнуть значительного превышения значения ионного тока над нормальным его значением.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Никулин, Роман Николаевич, Волгоград

1. Григорьев О.А. Электромагнитные поля и здоровье человека. Состояние проблемы // Энергия. 1999. - № 5.

2. Павлов А.Н. Воздействие электромагнитных излучений на жизнедеятельность: Учебное пособие. М., Гелиос АРВ, 2002. 224 с.

3. Бинги В.Н., Савин А.В. Физические проблемы действия слабых магнитных полей на биологические системы // Успехи физических наук. 2003. -Т. 173.-№3.-С. 265-300.

4. Бецкий О.В., Девятков Н.Д., Кислов В.В. Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии // Вопросы физической метрологии. Вестн. Поволжск. отдел, метрол. акад. России. Вып. 1. 1999. С. 44 -81.

5. Бецкий О.В., Лебедева Н.Н. Современные представления о механизмах воздействия низкоинтенсивных миллиметровых волн на биологические объекты // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2001. - №3. -С. 5-19.

6. Малеев В.Я., Кашпур В.А. Взаимодействие миллиметровых волн с водными растворами нуклеиновых кислот и их компонентов // Эффекты нетеплового воздействия миллиметрового излучения на биологические объекты: Сб./ Под ред. Н.Д . Девяткова. М., 1983. - 220 с.

7. Пресман А.С. Электромагнитная сигнализация в живой природе. М.: Сов. радио, 1974. - 58 с.

8. Бородин И.Ф., Шарков Г.А., Горин А.Д. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве. М., ВНИИТЭИагропром, 1987. 55 с.

9. Влияние электромагнитных излучений на биологический организм // http://forpost-7.euro.ru/eemi/emibio.htm

10. Влияние СВЧ-излучений на организм человека и животных / Под. ред. Петрова И.Р. Л.: Медицина, 1970. - 176 с.

11. Выгоднер Е.Б. Электромагнитные поля сверхвысокой частоты СВЧ // Физические факторы в гастроэнтерологии. - М.: Медицина, 1987. - 267 с.

12. Гордон З.В., Елисеев В.А. О биологическом действии электромагнитных полей радиочастот / АМН СССР, Ин-т гигиены труда и профзаболеваний. -М., 1964.-278 с.

13. Гриняев С.Н., Родионов Б.Н. Возможные последствия воздействия низкоэнергетического электромагнитного излучения на генетический аппарат живой клетки // http://re-tech.narod.ru/homo/gen/udk614.htm

14. Гурленя A.M., Багесев Г.Е. СВЧ-терапия // Физиотерапия и курортология нервных болезней. Минск, 1989. - 254 с.

15. Кнорре К.Т. О биологическом воздействии сверхвысоких частот/ АМН СССР, Ин-т гигиены труда и профзаболеваний. М., 1960. - 198 с.

16. Малышев В.М., Колесник Ф.А. Электромагнитные волны СВЧ и воздействие на человека. М.: Медицина, 1968. - 174 с.

17. Манойлов В.Е. Электричество и человек. Л.: Энергоиздат, 1982. - 345 с.

18. Минин Б. СВЧ и безопасность человека. М.: Сов. радио, 1974. - 256 с.

19. Родштат И.В. Физиологические аспекты рецепции миллиметровых радиоволн биологическими объектами // Применение миллиметрового излучения низкой интенсивности в биологии и медицине / Под. ред. академика Девяткова Н.Д. М., ИРЭ АН СССР, 1985. - С. 132 - 146.

20. Сердюк A.M. Взаимодействие организма с электромагнитными полями как с фактором окружающей среды. М.: 1977.

21. Холодов Ю.А. Минуя органы чувств // Новое в жизни, науке, технике: Сер. Биология. 1991. - №11. - с. 1 - 76.

22. Холодов Ю.А. Шестой незримый океан. М.: Знание, 1978. - 123 с.

23. Широносов В.Г. Резонанс в физике, химии и биологии. Ижевск, Издательский дом «Удмуртский университет», 2000/01. 92 с.

24. Взаимодействие физических полей с живым веществом: Монография / Нефедов Е.И., Протопопов А.А., Семенцов А.Н., Яшин А.А.; Под общей редакцией Хадарцева А.А. Тула: Изд-во ТулГУ, 1995. - 179 с.

25. Бецкий О.В., Лебедева Н.Н., Котровская Т.И. Стохастический резонанс в медицине и биологии // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. -2003. -№1. -С. 3-9.

26. Гвоздев В.И., Герасёв В.В., Климов Б.Я. Модель биоклетки при сверхмалых дозах воздействия // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. -№4. - С. 39 - 45.

27. Жуковский А.П., Резункова О.П., Сорвин С.В., Добролеж О.В., Жуковский М.А. О биохимическом механизме воздействия миллиметровых излучений на биологические процессы // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 1993. - №2. - с. 36 - 42.

28. Саввиных С. К. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом в полуклассическом приближении: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1995. - 112 с.

29. Шеин А.Г., Кривонос Н.В., Никулин Р.Н. Воздействие низкоинтенсивного СВЧ излучения на зерновые как переключение биологического триггера // Физическая метрология. Вестник Поволжск. Отдел. Метролог. Акад. России. 2002. Вып. 4. - С. 81 - 86.

30. Gaiduk V. I., Tseitlin В. М. The complex susceptibility of a librating dipole in an axially symmetric potential well.

31. Gaiduk V. I., Tseitlin В. M., Vij J.K. Orientational / translational relaxation in aqueous electrolyte solutions: a molecular model for microwave / far-infrared ranges // Physical Chemistry Chemical Physics, №3, 2001. P.: 523-534.

32. Gaiduk V. I., Vij J.K. The concept of two stochastic processes in liquid water and analytical theory of the complex permittivity in the wavenumber range 01000 cm"1 // Physical Chemistry Chemical Physics, №3, 2001. P.: 51735181.

33. Миллиметровые волны и фотосинтезирующие организмы. Монография / Под ред. акад. РАН Гуляева Ю.В. и проф. Тамбиева А.Х. М.: Радиотехника, 2003.- 176 с.

34. Генерация потенциала действия при ММ-облучении у высших растений / Королев А.Ф., Морозов В.О., Романовский Ю.М. и др. // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2002. - № 1. - С. 62 - 66.

35. Биофизика: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.Ф. Антонова. М.: Вла-дос, 2000.-288 с.

36. Терлецкий Н.А. О пользе и вреде излучения для жизни (воздействие слабых высокочастотных электромагнитных полей на живые организмы в очерках о механизмах и возможных последствиях). М.: Эдиториал УРСС, 2001. 68 с. (Relata Refero)

37. Бецкий О.В., Голант М.Б., Девятков Н.Д. Миллиметровые волны в биологии. М.: Знание, 1988. - 64 с. - (Нозое в жизни, науке, технике. Сер. «Физика»; № 6).

38. Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ излучений. - М., Энерго-атомиздат, 1987. - 143 с.

39. Давыдов Б. И., Тихончук В. С., Антипов В. В. Биологическое действие, нормирование и защита от электромагнитных излучений / Под ред. Ю. Г. Григорьева. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 176 с.

40. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. I. Техника сверхвысоких частот. Под ред. академика Н. Д. Девяткова. Учебник для студентов вузов по специальности «Электронные приборы». М., Высш. школа, 1970. 440 с.

41. Федеральные санитарные правила, нормы и гигиенические нормативы. Утверждено Госкомсанэпиднадзора России от 8 мая 1996 г. № 9. СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Дата введения: с момента утверждения.

42. Чукова Ю.П. Эффекты слабых воздействий. Термодинамический, экспериментальный (биологический и медицинский), социальный, законодательный, международный и философский аспекты проблемы. М.: Компания «Алее», 2002. - 426 с.

43. СВЧ-энергетика / Под редакцией Э. Окресса: Пер. с англ./ В.Г. Алыбина, Л.А. Музеус, Э.Я. Пастрон и др. Под. ред. Э.Д. Шлифера. - М.: Мир, 1971.-Т.3.-145 с.

44. Бецкий О.В., Путвинский А.В. Биологические эффекты миллиметрового излучения низкой интенсивности // Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника. Т. 29. — № 10.- 1986.

45. Бецкий О.В. Введение в проблему // Информационный сборник. Избранные вопросы КВЧ-терапии в клинической практике. 1991. - №4. - Вып. 61.-С. 5- 14.

46. Betskii O.V. Electromagnetic millimeter waves and living organisms // Biological aspects of low intensity millimeter waves / Edited by academician Devyatkov N.D. and professor Betskii O.V. Moscow, 1994. - P. 8 - 38.

47. Чернавский Д.С. Механизм КВЧ-пунктурной терапии // Информационный сборник. Избранные вопросы КВЧ-терапии в клинической практике.- 1991.-№4.-Вып. 61.-С. 46-66.

48. Бецкий О.В. Проблемы и перспективы КВЧ терапии // Информационный сборник. Избранные вопросы КВЧ-терапии в клинической практике.- 1991.-№4.-Вып. 61.-С. 166- 180.

49. Григорьев А. Д. Электродинамика и техника СВЧ: Учеб. для вузов по спец. «Электронные приборы и устройства». М.: Высш. шк., 1990 -335 с.

50. Диденко А.Н., Зверев Б.В. СВЧ энергетика. М., Наука, 2000. - 264 с.

51. Бецкий О.В., Девятков Н.Д., Лебедева Н.Н. Лечение электромагнитными полями. Часть 2. // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. -№10. - с. 3 - 13.

52. Бецкий О.В., Девятков Н.Д., Лебедева Н.Н. Лечение электромагнитными полями. Часть 3. // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. - №12. - с. 11-30.

53. Бецкий О.В., Лебедева Н.Н., Котровская Т.И. Необычные свойства воды в слабых электромагнитных полях // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2003. - №1. - С. 37 - 44.

54. Девятков Н.Д., Голант М.Б., Бецкий О.В. Миллиметровые волны и их роль в процессах жизнедеятельности. — М.: Радио и связь, 1991. 160 с.

55. Rebrova T.B. The influence of MM-Waves electromagnetic radiation on vital activity of microorganisms // Biological aspects of low intensity millimeter waves / Edited by academician Devyatkov N.D. and professor Betskii O.V. -Moscow, 1994.-P. 104- 124.

56. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Возможности создания модели воздействия СВЧ излучения на биологические объекты // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2002. - №4. - С. 9-15.

57. Пресман А.С. Электромагнитные поля и живая природа. М.: Наука, 1968.-256 с.

58. Гайдук В.И. Вода, излучение, жизнь. М.: Знание, 1991. - 64 с. - (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Физика»; № 7).

59. Леднев В.В. Биоэффекты слабых комбинированных, постоянных и переменных магнитных полей // Биофизика. 1996. - Т. 41. - № 1. - С. 224 -232.

60. Чукова Ю.П. Нетепловые биоэффекты ММ-излучения в свете законов термодинамики и люминесценции // Миллиметровые волны в биологии и медицине.-2001.-№4.-С. 13-32.

61. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. -Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 160 с.

62. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. Пер. с англ. Данилова Ю.А. М.: Прогресс, 1986. 432 с.

63. Пригожин И. Конец определенности. Время, хаос и новые законы природы. Пер. с англ. Данилова Ю.А. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000, - 208 с.

64. Стратонович Р.Л. Нелинейная неравновесная термодинамика. М.: Наука, 1985,-480 с.

65. С.Р. де Гроот. Термодинамика необратимых процессов. М.: Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1956,-281 с.

66. Guggenheim Е.А. Thermodynamics. The Netherlands, Amsterdam, Elsevier Science Publishers B.V., 1967, 390 p.

67. Антонов В.Ф. Биофизика мембран // Соросовский образовательный журнал. Биология. 1996. - №6. - С. 4 - 12.

68. Шеин А.Г., Никулин Р.Н. Выбор критериев по степени воздействия электромагнитного излучения на биологические объекты // Биомедицинская радиоэлектроника. 2001. - №4. - С. 19 - 23.

69. Жулев В.И., Ушаков И.А. Исследование электрических процессов в клеточных структурах // Биомедицинская электроника. 2001. - №7. - С. 30-37.

70. Волькенштейн М.В. Молекулы и жизнь. Введение в молекулярную биофизику. М.: Наука, 1965, - 504 с.

71. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М., Наука, 1989. 544 с.

72. Опритов В.А. Электричество в жизни животных и растений // Соросовский образовательный журнал. Биология. 1996. — №9. - С. 40 - 46.

73. Рубин А.Б. Биофизика: В 2-х кн.: Учеб. для биолог, спец. вузов. Кн. 2. М.: Высш. шк. 1987. 303 с.

74. Чизмаджев Ю.А. Мембранная биология: от липидных бислоев до молекулярных машин // Соросовский образовательный журнал. Биология. -2000. Т. 6. - №8 - С. 12 - 17.

75. Чиркова Т.В. Клеточные мембраны и устойчивость растений к стрессовым воздействиям // Соросовский образовательный журнал. Биология. -1997.-№9-С. 12-17.

76. Альтман Д.Л. Устройства сверхвысоких частот / Пер. с англ. под ред. проф. Лебедева И.В. М.: Мир, 1968. 487 с.

77. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М., Советское радио, 1973. 400 с.

78. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. II. Электровакуумные приборы СВЧ. Под ред. Н. Д. Девяткова. Учебник для вузов по специальности «Электронные приборы». М., Высшая школа, 1972. 376 с.

79. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. / Пер. с англ. под ред. С.П. Аллилуева и др.- Т 1. М.: Издательство иностранной литературы, 1958.-930 с.

80. John David Jackson. Classical electrodynamics. John Wiley & Sons, Inc., New York, London, Sydney, 1962, 641 p.

81. Манжаловский В. П. К интегрированию некоторых однородных линейных дифференциальных уравнений. Харьков: Изд-во ХГУ, 1959. - 68 с.

82. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. / Пер. с англ. под ред. С.П. Аллилуева и др.- Т 2. М.: Издательство иностранной литературы, 1960. - 886 с.

83. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. М., Наука, 1970.

84. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. Перевод с французского под общей редакцией К.С. Шифрина. М., Наука, 1967. -780 с.

85. Tables of integrals and other mathematical data. Edited by Earle Raymond Hedrick. New York, The Macmillan company, 1957, 288 p.

86. Spiegel M.R. Handbook of Mathematic with Tables. Rensselaer Politechnic Institute, 1968,-271 p.

87. Чуян E.H., Темурьянц H.A., Московчук О.Б., Чирский Н.В., Верко Н.П., Туманянц Е.Н., Пономарева В.П. Физиологические механизмы биологических эффектов низкоинтенсивного ЭМИ КВЧ. Симферополь: ЧП «Эльиньо», 2003. - 448 с.

88. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. Ч. I. Живые нити // Соросовский образовательный журнал. Биология. 1996. - №2. - С. 36 -43.

89. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. Ч. II. Цитоскелет, способный чувствовать и помнить // Соросовский образовательный журнал. Биология. 1996. - №4. - С. 4 - 10.

90. Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. Ч. III. Клетка единая, но делимая // Соросовский образовательный журнал. Биология. 1999. -№8.-С. 18-23.

91. Вилли К., Детье В. Биология (Биологические процессы и законы): Перевод с английского/ Н.М. Баевской, Ю.И. Дашкевича, Н.В. Обручевой. -М., Мир, 1975.-824 с.

92. Чайлахян J1.M. Электрическая структура возбуждаемых тканей и механизм проведения нервного импульса. Биофизика, 1962, т. 7, вып. 5.

93. Марха К., Мусил Я. Клетка как электрический контур. Биофизика, 1977, т. 22, вып. 5.

94. Ш.Либерман Е.А., Чайлахян Л.М. О природе потенциала действия. Биофизика, 1959, т. 4, вып. 5.

95. Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции: Пер. с англ.-М.: Мир, 1997.-624 с.

96. Твердислов В. А., Тихонов А. Н., Яковенко Л. В. Физические механизмы функционирования биологических мембран М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986.- 189 с.

97. Ходоров Б.И. Проблема возбудимости. Ленинград, Издательство «Медицина», Ленинградское отделение, 1969. 301 с.

98. Волобуев А.Н., Неганов В.А., Нефедов Е.И., Романчук П.И. Квантово-механические эффекты при работе ионных каналов // Вестник новых медицинских технологий. 1998. — Т. V, №2 - С. 7 - 10.

99. Пб.Рамо С., Уиннери Дж. Поля и волны в современной радиотехнике. -Пер. с англ. Лисовского Л.П., Полетаева И.А., Шестакова А.И. Под ред. Кобзарева Ю.Б. - М., Гостехиздат, 1948. - 632 с.

100. Атабеков Г.И. Теория линейных электрических цепей. М.: Советское радио, 1960. 712 с.

101. Антонов В.Ф. Мембранный транспорт // Соросовский образовательный журнал. Биология. 1997. - №6. - С. 14-20.

102. Антонов В.Ф. Липидные поры: стабильность и проницаемость мембран // Соросовский образовательный журнал. Биология. 1998. -№10. - С. 10- 17.

103. Болдырев A.A. Na / К АТФаза - свойства и биологическая роль // Соросовский образовательный журнал. Биология. - 1998. - №4. - С. 2 - 9.

104. Владимиров Ю.А. Кальциевые насосы живой клетки // Соросовский образовательный журнал. Биология. 1998. - №3 - С. 20 - 27.

105. Гельферих Ф. Иониты. М., Издательство иностранной литературы, 1962.- 490 с.

106. Лев А.А. Ионная избирательность клеточных мембран. Ленинград: Наука, 1975.-323 с.

107. Рубин А.Б. Биофизика: В 2-х кн.: Учеб. для биолог, спец. вузов. Кн. 1. М.: Высш. шк. 1987. 319 с.

108. Рубин А. Б. Лекции по биофизике: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 1994.- 160 с.

109. Шимони К. Физическая электроника. Пер. с нем. М.: Энергия, 1977. -608 с.

110. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по физике. / Изд. 10-е, испр. и доп. М.: Наука, 1988.

111. Шеин А.Г. Вакуумная и газоразрядная электроника. 4.1: Учеб. пособие. Волгоград, Изд-во Политехник ВолгГТУ, 1999. 112 с.